CC BY
190
УДК 663.479.1 (075)
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗА В ПРОЦЕССЕ
ВОДОПОДГОТОВКИ
ТА. КРАСНОВА, доктор технических наук, профессор
А.Г. СЕМЕНОВ, кандидат физико-математических наук, доцент
Кемеровский технологический институт пищевой промышленности
E-mail: office@kemtipp.ru
Резюме. Изложены возможности применения электродиализа для подготовки воды, используемой при производстве безалкогольных напитков, результаты экспериментов по получению обессоленной воды и приготовлению на ее основе настоев растительного пищевого сырья. Отмечается повышенная устойчивость полученных настоев, по сравнению с изготовленными на основе воды, не прошедшей элекгродиализную обработку. Приведена схема аппарата и предложен способ уменьшения количества образующихся сточных вод.
Ключевые слова: водоподготовка, электродиализ, безалкогольные напитки.
Один из этапов подготовки воды при производстве безалкогольных напитков — деминерализация. Как правило, для этого используется одна из баромембранных технологий — обратный осмос [1,2]. Такой способ очистки позволяет удалять растворенные неорганические соединения и применяется после предварительного фильтрования и умягчения. Значительно меньше используется электродиализ. Характерно, что во многих обзорных публикациях, посвященных проблемам пивобезалкогольного производства, этот способ вообще не упоминается среди возможных технологий ВОДОПОДГОТОВКИ [3,4]. Между тем, его применение может оказаться весьма эффективным.
При элекгродиализе вещество переносится под действием градиента электрического потенциала (рис. 1) [5]. Основа аппарата — совокупность плоскопараллельных камер, разделенных чередующимися катионо- и анионообменными мембранами. Под действием электрическо-
го поля ионы растворенных соединений мигрируют в растворе, протекающем через камеры. При этом каждая мембрана пропускает через себя ионы с тем или иным зарядом. В результате в одних («рассольных») камерах происходит концентрирование растворенных веществ, а в других («дилюатных»), освобожденной от них вода
Процесс электродиализа обладает определенными преимуществами. В частности, при его реализации через мембрану переносится не весь объем очищаемой воды, а только отдельные ионы веществ, подлежащих удалению. Это может существенно повысить производительность процесса и снизить удельные энергозатраты. Отсутствие интенсивного конвективного переноса растворенных веществ к поверхностям мембран в значительной степени предотвращает их загрязнение и образование осадка.
При элекгродиализе нет необходимости в высоком давлении, что упрощает аппаратурное оформление установки. Кроме того, результаты исследований [6] позволяют предположить, что движение воды через поры обратноосмотических мембран с диаметром ~ 1 нм под воздействием повышенного давления может приводить к изменению ее структуры (разрыву межмолекулярных водородных связей). Это, в свою очередь, может негативно отразиться на биологической эффективности воды.
Мы провели эксперименты с целью обоснования применения электродиализа при подготовке воды для производства безалкогольных напитков (сиропов и настоев из растительного сырья).
Условия, материалы и методы. Исследования проводились в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности на лабораторной модели, включавшей 9 рабочих камер (4 рассольных и 5 дилюатных), разделенных серийно выпускаемыми гетерогенными ионообменными мембранами МК-40 и МА-40. Между мембранами располагались вини пластовые прокладки лабиринтного типа. В каждом тракте камеры соединялись последовательно.
Основные параметры модели: общая длина тракта обессоливания 3,4 м, толщина рабочих камер 1,2 мм, рабочая площадь мембран 0,224 м2. Напряжение, приходящееся на одну камеру, варьировалось в опытах в диапазоне 0,5...3 В с шагом измерения 0,5 В.
Результаты и обсуждение. В ходе исследований мы установили, что стационарное состояние системы достигается приблизительно через 10 минут после начала процесса. Далее состав получаемой обессоленной воды (дилюата) стабилизируется. Длительность переходного периода не зависит от приложенного напряжения.
Вода после электродиализного обессоливания, соответствует требованиям, предъявляемым к качеству питьевой воды (см. табл.).
При увеличении солесодержания исходной воды характеристики процесса улучшались. Например, при на-
66
Достижения науки и техники АПК, №4-2009
Таблица. Качество воды, обессоленной путем электродиализа
Нормативные Полу-
Показатель требования по ченные
ТИ-10-5031536-73-90 значения
Жесткость,' Ж не более 0,7 0,425
Щелочность, мг-экв/л не более 1 0,975
Сульфаты, мг/л не более 100 0,2
Железо, мг/л не более 0,1 0,00175
пряжении на камеру 2 В и щелочности исходной воды 2,06 мг-экв/л степень очистки оказалась равной 1,04. а при щелочности 3.18 мг-экв/л она возросла до 1,95. Аналогичные результаты были получены и при других напряжениях. На наш взгляд, это обусловлено повышением электропроводности. При низком солесодержании исходной воды значительная часть электроэнергии расходуется не на перенос ионов солей, а на преодоление омического сопротивления и нагрев раствора, а также на перенос ионов воды. Степень очистки регулируется путем изменения напряжения или производительности установки. При постоянном напряжении для улучшения очистки следует уменьшать подачу воды, увеличивая тем самым длительность ее пребывания в камерах.
Сравнение различных показателей качества настоев из растительного сырья (калина, боярышник, володуш-ка золотистая) позволило сделать вывод, что по содержанию сухих веществ и органолептическим характеристикам они практически идентичны вне зависимости от способа подготовки воды. Однако настои, приготовленные на необессоленной воде или обессоленной при низком напряжении, уступают по стойкости настоям, произведенным с использованием воде, прошедшей элект-родиализное обессоливание при сравнительно высоком напряжении (2...3 В на камеру). Мы считаем, что такая ситуация связана с тем, что при увеличении рабочего напряжения из воды удаляются катионы жесткости и многовалентные ионы, которые могут реагировать с пектиновыми и дубильными веществами, содержащимися в настоях с образованием осадка.
Для уменьшения объема сточных вод можно использовать установку с замкнутым рассольным контуром (рис. 2). В этом случае рассол будет циркулировать по замкнутому контуру, а удаляемые примеси накап-
Рис. 2. Схема установки с замкнутым рассольным контуром, ливаться в ограниченном его объеме до тех пор, пока концентрация ионов не приблизится к значениям, при которых начинается выпадение нерастворимых осадков. После этого образовавшийся рассол заменяют на свежую порцию воды.
Увеличение концентрации рассола не оказывает заметного влияния на качество получаемой воды и другие параметры. Например, двукратное повышение концентрации рассола, циркулирующего по замкнутому контуру приводило в опытах к увеличению содержания солей в дилюате не более чем на 5 %. По всей видимости такая ситуация объясняется тем, что фактор, определяющий интенсивность переноса ионов, величину тока и затраты электроэнергии, — концентрационная поляризация (образование концентрационных пограничных слоев на мембранах) в дилюатных камерах, которая приводит к росту их электрического сопротивления. Сопротивление рассольных камер, напротив, падает из-за повышения концентрации раствора и становится пренебрежимо малым.
Выводы. Таким образом, проведенные исследования показывают возможность применения электродиализа для подготовки воды при производстве безалкогольных напитков. Настои растительного сырья, полученные на основе воды, прошедшей такую обработку, имеют повышенную устойчивость вследствие удаления из воды катионов жесткости и многовалентных ионов. Для снижения количества сточных вод целесообразно использовать установки с замкнутым рассольным контуром.
Литература.
1. Зуев ЕЛ., Гурьев В.И., Караваева С.А., Солотнов А.Ф. Технология водоподготовки в производстве безалкогольных и слабоалкогольных напитков//Пиво и напитки. — 2003. — № 2. — с. 64-65.
2. Чистова Ю.В. Подготовка воды на безалкогольном производстве // Пиво и напитки. — 2005. — № 3. — с. 44.
3. Шуманн Г. Безалкогольные напитки. Сырье, технологии, нормативы. — СПб: Профессия, 2004.
4. Новое в пивоварении / под ред. Ч. Бэмфорт — СПб: Профессия, 2007. — 520 с.
5. Волков В.В., Мчедлишвили Б.В., Ролдугин В.И., Иванчев С.С., Ярославцев А.Б. Мембраны и нанотехнологии//Российские нанотехнологии. 2008. т.З. № 11-12. с. 67-99.
6. Гончарук В.В., Казимиров В.П. Структура воды //Химия и технология воды. - 1999. - т. 21. - № 3. — С. 232-243.
APPLICATION OF ELECTRODIALYSIS IN WATER PREPARATION PROCESS
T.A. Krasnova, A.G. Semenov
Summary. Application of the electrodialysis in the process of water preparation for soft drinks manufacture is described. The scheme of the apparatus is presented. The way of effluents reduction is offered. Experimental results on reception of desalinated water and to preparation of vegetative food raw extracts on its basis are described. The raised stability of obtained extracts in comparison with extracts on the basis of unprocessed water is marked.
Key words: water preparation, electrodialysis, soft drinks.
Достижения науки и техники АПК, N94-2009
67
